Experiencias en la elaboración de una práctica de laboratorio
virtual de resistencia de los materiales en la ingeniería
Experiences in the elaboration of a practice of virtual laboratory
of resistance of the materials in the engineering
Autores:Dr. C. Gerardo Borroto Carmona CREA - CUJAE
Ing. Julia Rosa Álvarez López Fac. Ingeniería Civil-CUJAE
Ing. Joanna Gé Chanfón CREA-CUJAE
Ing. Iosvany A. Recio Villa CIH-CUJAE
DG. Leandro Carlos Rodríguez Dpto. Comunicaciones-CUJAE
RESUMEN
El estudio referido en este trabajo, se inserta en la investigación desarrollada por sus autores, integrantes del Proyecto de Investigación “Laboratorios virtuales para la enseñanza de las Cien-cias Técnicas”, correspondiente al Centro de Ingeniería Hidráulica (CIH) y al Centro de Referencia para la Educación Avanzada (CREA), del Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría (CUJAE).
Su contenido revela las experiencias recogidas como resultado del proceso de elaboración de la Práctica de Laboratorio Virtual (PLV) “Determinación de la resistencia a la compresión en probetas cilíndricas de hormigón endurecido”. Esta práctica fue diseñada especialmente para estudiantes de la carrera de Ingeniería Civil, Ingeniería Hidráulica y otras carreras de Ciencias Técnicas relacionadas con esta temática. Su implementación se realizó en la CUJAE y simultá-neamente en la Facultad de Ingeniería Civil de la Universidad Nacional Experimental Francisco
de Miranda del Estado Falcón, en Venezuela, en el marco de este proyecto binacional auspi-ciado por el Convenio Cuba-Venezuela.
Palabras claves: Laboratorio virtual, resistencia de los materiales, probeta de hormigón
ABSTRACT
The study referred in this work, is inserted in the investigation developed by its authors, in-tegral of the Project of Investigation virtual “Laboratories for the teaching of the Technical” Sciences, corresponding to the Center of Hydraulic (CIH) Engineering and to the Center of Reference for the Advanced (BELIEVE) Education, of the Superior Polytechnic Institute “José Antonio Echeverría” (CUJAE).
Their content reveals the experiences picked up as a result of the process of elaboration of the Practice of Laboratory Virtual (PLV) “Determination from the resistance to the compression in cylindrical test tubes of hardened” concrete. This practice was designed especially for students of the career of Civil Engineering, Hydraulic Engineering, or other careers of Technical Sciences related with this thematic one. Their implementation will be carried out in CUJAE and simulta-neously in the Ability of Civil Engineering of the National Experimental University “Francisco of Miranda” of the State Falcon, in Venezuela, in the mark of this project binational favored by the Agreement Cuba-Venezuela.
Key words: Virtual laboratory, resistance of the materials, concrete test tube.
INTRODUCCIÓN
En la sociedad de hoy, impactada por los significativos logros de las TIC en todas las esferas y en particular en la educación superior, los laboratorios virtuales han ganado un lugar primordial en la obtención de resultados de impacto en los procesos docente-educativos que transcurren en las universidades y centros de este nivel en todo el orbe.
La educación superior cubana no está exenta de este fenómeno. Un ejemplo de ello lo consti-tuye el Proyecto de Investigación “Laboratorios virtuales para la enseñanza de las Ciencias Téc-nicas”, correspondiente al Centro de Ingeniería Hidráulica (CIH) y al Centro de Referencia para la Educación Avanzada (CREA), del Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría (CUJAE), que desde su creación ha venido mostrando interesantes resultados, tanto en Cuba, como en la República Bolivariana de Venezuela (León A., Herrero E., Cabrera J., Almira C., Gómez M., Collazo R., Ayes G., Álvarez A., Borroto G., Recio I., Gé J., Rodríguez L.).
Las experiencias que se presentan como resultado de la elaboración de la Práctica de Labora-torio Virtual (PLV) “Determinación de la resistencia a la compresión en probetas cilíndricas de hormigón endurecido”, surgen a partir del trabajo realizado por el Grupo 3 del mencionado
Proyecto. Este grupo está integrado por: Su coordinador, Dr. C. Gerardo Borroto Carmona (pro-fesor del CREA), pedagogo (encargado de la modelación pedagógica y didáctica de las PLV y su investigación); Iosvany Alberto Recio Villa (profesor del CIH), ingeniero hidráulico (encargado de la modelación matemática de los procesos que intervienen en las PLV y su investigación); Joanna Gé Chanfón (profesora del CREA), ingeniera informática (encargada de la investigación y ejecución de la programación informática requerida en las PLV); Leandro Carlos Rodríguez Rodríguez (miembro del Dpto. de Comunicaciones), diseñador gráfico (encargado de concebir e investigar sobre la imagen y la comunicación audiovisual en las PLV).
Para esta PLV se invitó a la Ing. Julia Rosa Álvarez López, profesora de la Facultad de Ingeniería Civil de la CUJAE. Con esta PLV se inició la investigación científica y la elaboración (diseño y producción) de un paquete de prácticas de laboratorio virtuales para las carreras de Ingeniería Civil e Ingeniería Hidráulica, específicamente para su utilización en las asignaturas Resistencia de materiales y Hormigón estructural (de la disciplina Análisis y Diseño); y Materiales de la cons-trucción y Tecnología del Hormigón (de la disciplina Tecnología de la conscons-trucción). También será aplicada en otras asignaturas de la carrera Ingeniería Hidráulica.
La idea de acometer la producción de esta PLV surgió cuando la profesora Julia Rosa se acercó al coordinador del proyecto “Laboratorios virtuales para la enseñanza de las Ciencias Técnicas”, el Dr. C. Alcides León Méndez, y le planteó la necesidad de contar con un conjunto de prácticas de laboratorio virtuales en el contenido de la Resistencia de los materiales, particularmente sobre el hormigón como material de construcción.
La idea fue aprobada, teniendo en cuenta que estas prácticas darían la posibilidad de desarro-llar en los estudiantes un sistema de conocimientos, habilidades y hábitos relacionados con esta importante temática, vital en la formación de un ingeniero civil e hidráulico. Por otra parte, en la actualidad resulta difícil la realización de prácticas similares en las condiciones de un la-boratorio real, debido a diferentes factores. Además, aun cuando existiera la posibilidad para desarrollar dichas prácticas en condiciones reales, sería muy conveniente aprovechar las ven-tajas que ofrecen las Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (TIC), para realizarlas de forma virtual.
De inmediato le fue encomendada al Grupo 3 de este Proyecto la retadora tarea de elaborar el módulo de prácticas de laboratorio virtual de Resistencia de los Materiales. Por decisión cole-giada entre el coordinador del proyecto, la profesora de la signatura y los miembros del Grupo 3, la primera PLV que se comenzó a elaborar para este módulo fue: “Determinación de la resis-tencia a la compresión”. Su objetivo principal consiste en que los estudiantes desarrollen ciertas habilidades en el proceso de determinación de la resistencia a la compresión de una probeta cilíndrica de hormigón endurecido, y a partir del resultado establecer su calidad.
Para su elaboración, se utilizó la “Metodología para la elaboración de prácticas de laboratorio virtual” (Collazo y otros, 2012), adoptada en el Proyecto, con el propósito de verificar su facti-bilidad de aplicación y hacerle los ajustes y aportes necesarios. La primera acción realizada fue una observación minuciosa de cada uno de los pasos de esta metodología, tomando las notas necesarias según los objetivos previamente formulados desde su perfil: pedagógico, ingenieril,
matemático, informático, y de diseño, con el propósito final de integrar este módulo al paquete Multi H-Virtual en sus futuras versiones.
Posteriormente, se ejecutaron otras tareas propias del proceso de elaboración de la PLV de Re-sistencia de los materiales y, en particular, la referida en este trabajo, que tiene como objetivo principal: Socializar las experiencias adquiridas por los autores, en el proceso de investigación y elaboración de la PLV “Determinación de la resistencia a la compresión en probetas cilíndricas de hormigón endurecido”.
DESARROLLO
1. Generalidades acerca de la Práctica de Laboratorio Virtual
La PLV de referencia pretende contribuir a que los estudiantes de ingeniería civil, de ingeniería hidráulica o de otras carreras relacionadas con esta temática desarrollen determinadas habili-dades en la realización del ensayo a la compresión en probetas de hormigón endurecido, con la finalidad de establecer su calidad. El ensayo de Resistencia a Compresión Uniaxial (f´c) es vital en cualquier elemento de hormigón, al ser el principal indicador de la calidad del material, por lo que generalmente se comercializa por esta propiedad, pues de ella depende básicamente su costo fundamental.
En la PLV se orienta realizar la rotura a la compresión de probetas cilíndricas de hormigón endu-recido, para ello previamente se deben realizar las siguientes actividades:
Estudiar la normativa vigente relacionada con este ensayo para dominar sus bases teóricas (NC 724: 2009 Ensayos del hormigón) y (ISO 1920-4:2005, MOD Resistencia del hormigón en estado endurecido).
Revisar si la probeta está debidamente identificada.
Realizar la inspección visual de la probeta para determinar si es posible someterla a ensayos. Comprobar que la probeta ha sido debidamente curada.
Comprobar que se ha realizado el refrendado de las caras de la probeta.
Los objetivos definidos para lograr por los estudiantes mediante esta PLV fueron: Realizar la rotura a la compresión de probetas cilíndricas de hormigón endurecido. Aplicar las normas, reglamentos y medidas de seguridad en el laboratorio.
En su proceso de elaboración se tuvieron en cuenta los principios formulados y adoptados por el Proyecto “Laboratorios Virtuales para la enseñanza de las Ciencias Técnicas” (Collazo y otros, 2012), entre estos:
Las habilidades que se desea contribuir a desarrollar en el estudiante constituyen el punto de partida para el análisis, por tanto los objetivos de aprendizaje deben estar bien formulados. El análisis de la práctica real (o nueva) para elaborar su versión virtual, se realiza bajo el para-digma de procesos.
La modelación matemática parte de los datos obtenidos en la realización de la práctica real. La modelación gráfica se corresponde con la instalación real de la que se obtiene el dato que servirá de fuente para la modelación matemática .
La concepción didáctica del laboratorio virtual debe permitir al estudiante el trabajo inde-pendiente con el mismo en alto grado.
Las posibles desviaciones en el comportamiento de las variables deben ser tomadas en cuenta en la modelación matemática e informática.
Los posibles errores y/o descuidos de los estudiantes durante la realización de la práctica deben ser tomados en cuenta en la modelación informática y gráfica.
El laboratorio virtual no sustituye la formación de las habilidades prácticas que el estudiante debe desarrollar en interacción con la instalación real, solo contribuye a su formación.
2. Metodología aplicada en proceso de producción de la PLV. Experiencias
La metodología aplicada en el proceso de elaboración de esta PLV consta de cuatro Etapas: Pre-producción, Producción, Postproducción e Impacto (Collazo y otros, 2012).Etapas y los pasos formalizados en la metodología aplicada Etapa de preproducción
Negociación y planificación de la práctica virtual
Se realizó mediante el intercambio de los miembros del Grupo 3 con la profesora especialista en el contenido de la práctica a virtualizar, con otros especialistas de la Facultad de Ingenie-ría Civil, del Centro de Estudios de Construcción y Arquitectura Tropical (CECAT), de la CUJAE, en encuentros frecuentes previamente planificados y consultas sistemáticas. Este intercambio permitió precisar los objetivos y el contenido de la PLV en cada una de sus etapas y pasos del proceso, profundizar en el conocimiento de las normas y otros referentes asociados, además de obtener otros detalles importantes para la modelación matemática de los procesos involucra-dos, la programación informática y la aplicación específicamente en esta PLV de la concepción didáctica asumida en el Proyecto.
Capacitación de los profesores especialistas en el contenido
La capacitación para los miembros del Grupo 3 se realizó fundamentalmente de forma autodi-dacta por cada uno en su perfil, contando para ello con la amplia información obtenida en la etapa anterior. También se produjeron otros encuentros con especialistas en el contenido de la práctica y con investigadores del perfil homólogo de los Grupos 1 y 2 del Proyecto (informáti-cos, matemáti(informáti-cos, pedagogos, diseñadores). Los aspectos básicos en los que se profundizó en esta etapa fueron: La concepción pedagógica y didáctica de la PLV, lo relativo al diseño gráfico (ambientes, imágenes, comunicación audiovisual y otros), la concepción sobre la modelación matemática, la concepción sobre el diseño informático y su aplicación, y la integración de cada uno de los perfiles en la PLV.
También se diseñó la capacitación para los docentes que vayan a introducir esta PLV en el pro-ceso docente educativo de la asignatura que imparten, ya sea en carreras de Ingeniería o de otras ciencias técnicas donde se contemple este contenido.
Recolección y organización de la información sobre la práctica real
En esta etapa se realizó una visita de los miembros del Grupo 3, con la profesora especialista, al Centro de Investigaciones Tecnológicas (CITEC), para observar detalladamente las condiciones y el equipamiento de un laboratorio real modelo.
También se visitó el CECACT (de la CUJAE), para contrastar la información en las condiciones de un laboratorio docente. Además, en esta etapa se produjo la familiarización del Grupo 3 con la documentación requerida para la PLV (normas, manuales, gráficas y otras).
Etapa de producción
Desarrollo de componentes gráficos de la PLV
Consistió en el trabajo realizado por el diseñador gráfico del Grupo 3 en la elaboración de las imágenes del contexto, instrumentos, u otros elementos necesarios para construir el entorno gráfico de la PLV, lo que permitió crear cada una de las vistas principales y complementarias:
Modelación matemática de la práctica virtual
El especialista del Grupo 3 en la modelación matemática, en estrecha coordinación con la profe-sora y otros especialistas en el contenido de la práctica, trabajó en la obtención de la ecuación empírica que describe el comportamiento del fenómeno en la instalación experimental real, a partir de los datos que se obtienen en la realización de la práctica real. También trabajó en la de-terminación y modelación de las posibles desviaciones y posibles errores que pueden cometer los estudiantes durante la realización de la PLV.
En el caso de esta PLV, la resistencia a compresión se da por la ecuación:
Si las dimensiones reales de la probeta de ensayo están dentro del ± 0,5 % del tamaño nominal, la resistencia puede calcularse en base al tamaño nominal. Si las dimensiones reales están fuera de esta tolerancia, el cálculo de la resistencia estará basado en las dimensiones reales de la probeta
Desarrollo de componentes informáticos de la práctica virtual
La modelación informática fue realizado por la especialista en informática del Grupo 3, a partir de la relación: variable del modelo matemático-elemento de la instalación virtual y de los even-tos para el accionamiento de los instrumeneven-tos virtuales.
Elaboración de los componentes didácticos
El especialista en pedagogía realizó el tratamiento pedagógico didáctico de la PLV. En primer lugar, fue necesario, a partir de la concepción de la “didáctica desarrolladora” asumida en el Proyecto, determinar el sistema de conocimientos, las habilidades y sus acciones, y los hábitos a desarrollar en los estudiantes en el proceso de realización de esta práctica virtual. Posterior-mente, analizar y tomar decisiones sobre la vía más efectiva a utilizar para integrar el sistema de las categorías didácticas (objetivos, contenido, métodos, medios, evaluación), así como las herramientas y el sistema de tareas docentes, en la PLV para satisfacer los objetivos previstos y tributar de manera eficiente a la formación integral de los estudiantes.
Especial participación correspondió a este especialista en la elaboración de la “ayuda” de la PLV, a partir de las experiencias y los resultados de las investigaciones realizadas en el proceso de las PLV anteriores en el marco del Proyecto. Por la importancia de este aspecto, se le dedica un epígrafe en este trabajo.
Montaje de la práctica virtual
En consecuencia con el modelo informático y la concepción general asumida por el Proyecto, se realizó el montaje de los distintos componentes de la PLV.
Etapa de postproducción
Control de la calidad del resultado
Una vez realizado el montaje de la PLV se sometió al criterio de especialistas, profesores y estu-diantes, a modo de una constatación preliminar, con vistas a la realización de sus correcciones en una segunda edición, antes de su aplicación en el proceso docente educativo en las carreras de Ingeniería y Ciencias Técnicas. Para esta primera constatación fueron elaborados los instru-mentos de investigación correspondientes.
Corrección y ajuste de los errores detectados
Con el propósito de encontrar deficiencias, una vez terminada la primera edición de esta PLV, se sometió al método científico de criterio de especialistas, en este caso tres del Proyecto y cinco de la Facultad de Ingeniería Civil de la CUJAE, en total ocho (8) especialistas expresaron su satisfac-ción por la PLV y señalaron algunos aspectos que podían ser mejorados. También será sometido al criterio de un pequeño grupo de estudiantes seleccionados para que realicen esta PLV y emi-tan sus opiniones a partir de un grupo de instrumentos ya elaborados por los especialistas del Proyecto. En estos momentos se están realizando los trámites necesarios para el registro de la PLV en el Centro Nacional de Autor (CENDA).
Registro del producto. Licencia
En estos momentos se están realizando los trámites necesarios para el registro de la PLV en el Centro Nacional de Autor (CENDA).
Etapa de impacto
Una vez que se obtenga número de Registro de la PLV en CENDA, se procederá al tránsito si-guiendo cada uno de los pasos de esta etapa, en la entidad a la que haya sido entregada la PLV. Los pasos correspondientes son:
Preparación de los docentes para aplicar la PLV
La PLV se aplicará primeramente a dos grupos de estudiantes de 3er. año de la carrera de Inge-niería Civil de la CUJAE, para lo cual ya está preparada la profesora especialista que participó en su elaboración. Posteriormente, la PLV se llevará a la Facultad de Ingeniería Civil de la Universi-dad Nacional Experimental Francisco de Miranda del Estado Falcón, en Venezuela y se realizará la preparación del grupo de docentes encargados de su aplicación en grupos de estudiantes de esa carrera.
Organización y aplicación de las prácticas virtuales
El proceso de investigación (que incluye la observación) de esta PLV ya está organizado, acorde con las bases establecidas por el Proyecto, y por las cuales se ha llevado a cabo la investigación de las PLV producidas anteriormente. Organizar el proceso de observación de la aplicación de las prácticas virtuales en el proceso de enseñanza aprendizaje.
Aplicación de instrumentos para la validación de la efectividad de la práctica virtual en el proceso de enseñanza aprendizaje
En el proceso de aplicación de PLV en las universidades citadas (en Cuba y en Venezuela), se utilizarán los instrumentos de investigación para determinar el impacto su en el proceso de aprendizaje de los estudiantes.
Socialización de los resultados
A partir de los resultados de la investigación realizada en el proceso de aplicación de la PLV, serán elaborados los informes correspondientes, publicaciones, participación en eventos para socializar los resultados obtenidos en el proceso de producción y aplicación.
CONCLUSIONES
El proceso de elaboración de la práctica de laboratorio virtual “Determinación de la resistencia a la compresión en probetas cilíndricas de hormigón endurecido” en el Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría (CUJAE), generó interesantes experiencias que se materializaron en:
• La elaboración de un conjunto de documentos de apoyo a la PLV (Guía de la práctica de familiarización, Guía de la práctica, Modelo para la evaluación del trabajo estudiante en la PLV, Tarea técnica, entre otros).
• Reajustes en el procesamiento matemático con la finalidad de lograr mayor precisión en los resultados (valores) que obtendrán los estudiantes en la realización de los ejercicios propuestos, en la condiciones de una PLV.
• Modificaciones en algunos de los elementos que aparecen en las vistas de esta práctica de laboratorio virtual: Vista Principal, Vista de Trabajo, Ayuda, imágenes de las probetas antes y después de sufrir diferentes formas de rotura, ampliación (zoom) en algunos elementos (reloj de la prensa, escritor gráfico).
• Aportes en la ayuda desde el punto de vista didáctico y de la comunicación audiovisual con el estudiante (imágenes, videos, sonidos, otros elementos).
• Operacionalización de las habilidades que los estudiantes deben desarrollar durante la PLV (acciones, orientaciones para la realización de la acción, criterios de medida).
• Ajustes en cuanto al diseño gráfico e informático de la PLV respecto a las anteriores. Sin dudas, las experiencias adquiridas en la elaboración de esta la PLV contribuirán a su perfec-cionamiento en futuras ediciones y, además, servirán de base para la investigación y elabora-ción de nuevas PLV en el futuro.
BIBLIOGRAFÍA
Borroto G. y otros (2012): “Experiencias en la aplicación de una práctica de laboratorio virtual en Hidráulica. Proyecto “Laboratorios Virtuales”. Aproximación a una metodología para la producción de Laboratorios Virtuales”, CD Memorias de la 16 Convención Científica de
Ingeniería y Arquitectura de la CUJAE, Palacio de las Convenciones, La Habana, Cuba.
Chirinos A. y E. Jiménez (2012): “Diseño y construcción de una práctica virtual como material educativo computarizado para docentes y estudiantes del laboratorio de Operaciones Unitarias I, Ingeniería en procesos químicos”, CD Memorias de la 16 Convención Científica
de Ingeniería y Arquitectura de la CUJAE, Palacio de las Convenciones, La Habana, Cuba.
Collazo, R. y otros (2012): Proyecto “Laboratorios Virtuales”. Aproximación a una metodología para la producción de Laboratorios Virtuales”, CD Memorias de la 16 Convención Científica de
Ingeniería y Arquitectura de la CUJAE, Palacio de las Convenciones, La Habana, Cuba.
Herrero, E. (2011): “Informe final sobre la implementación de prácticas virtuales de la herramien-ta Multi H-Virtual en la formación de las habilidades prácticas asociadas al perfil profe-sional y habilidades para el uso de las TIC de los estudiantes del Programa de Ingeniería Civil de la UNEFM”.
León, H. y otros (2011): “Informe técnico para la UNEFM”, Coro, Estado Falcón, Venezuela. Norma - NC 724: 2009: Ensayos del hormigón.
